Kajian Evolusi Berbasis Urutan Nukleotida

Gane Swara Edisi Khusus Vol. 3 No.3 Desember 2009

Kajian Evolusi Berbasis Urutan Nukleotida..I Wayan Karmana 75

KAJIAN EVOLUSI BERBASIS URUTAN NUKLEOTIDA

I WAYAN KARMANAFPMIPA. IKIP Mataram

ABSTRAKTeori evolusi saat ini semakin berkembang seiring kemajuan Iptek. Pengkajian evolusi yang sebelumnya

berbasis pendekatan sistematik dan paleontologi (macroevolution) dilengkapi pendekatan berbasis biologimolekuler (microevolution), salah satunya adalah pendekatan evolusi molekuler.

Evolusi molekuler adalah suatu pendekatan pengkajian evolusi yang berpijak pada genetika populasi danbiologi molekuler dengan lingkup atau area pengkajian pada perubahan materi genetik (urutan DNA atauRNA) dan produknya (protein) serta sejarah evolusi organisme yang didukung oleh data-data molekuler.

Perubahan evolusi berbasis urutan nukleotida merupakan salah satu bagian evolusi molekuler yang terkaitdengan peristiwa mutasi, insersi, delesi dan inversi yang akan dapat menyebabkan perubahan-perubahan padatingkat gen (nukleotida), dimana perubahan ini merupakan suatu agen terjadinya evolusi pada tingkatmolekuler (microevolution).

Kata kunci: evolusi, DNA, nukleotida

PENDAHULUANSemenjak Charles Darwin mengemukakan gagasannya tentang teori evolusi yang tertuang dalam bukunya

On the Origin of Species by Means of Natural Selection or the Preservation of Favoured Races telahbanyak menuai atau menimbulkan pro dan kontra di masyarakat. Kelompok yang kontra kurang memandangteori evolusi Darwin secara proporsional. Kelompok ini hanya melihat teori evolusi secara sempit dan lebihterfokus pada ungkapan manusia berasal dari kera , padahal sejatinya tidak demikian yang dinyatakan olehDarwin dalam buku tersebut. Hal ini diperkuat Waluyo (2005), yang menyatakan bahwa evolusi tidaklahberkisar pada manusia dan kera saja, lagi pula manusia bukanlah keturunan langsung dari kera seperti yangdipahami masyarakat awam.

Terlepas dari pro dan kontra tersebut, teori evolusi (evolusi biologi/organik) saat ini terus mengalamiperkembangan seiring dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi pada era globalisasi ini. Mulaidari teori evolusi masa Darwin hingga saat ini pada masa evolusi modern yang memandang dan mengkaji teorievolusi dari berbagai aspek dan pendekatan.

Pengkajian teori evolusi pada masa modern ini dilihat dari beberapa pendekatan antara lain melaluipendekatan genetika populasi, evolusi ekologi, evolusi molekuler, sistematik, dan paleontologi (Stearn &Hoekstra, 2003). Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa untuk mengkaji proses evolusi biologi dapatdilakukan melalui berbagai pendekatan, sehingga masalah evolusi dapat dikaji secara lebih komprehensif danproporsional.

Pendekatan evolusi molekuler (molecular evolution) sebagai salah satu pendekatan yang digunakan dalammengkaji evolusi biologi pada saat ini (masa evolusi modern) sangat banyak digunakan (Waluyo, 2005).Pendekatan molekuler ini mengkaji dan memandang evolusi dari sejarah rekaman urutan DNA dan protein(Stearn & Hoekstra, 2003). Selanjutnya dalam mengkaji masalah evolusi, maka terdapat dua area pembahasanevolusi molekuler yaitu: (1) evolusi makromolekul, menunjuk kepada rata-rata dan pola perubahan yangtampak pada materi genetik (misalnya urutan DNA) dan produksinya (misalnya protein) selama waktu evolusiserta mekanisme yang bertanggung jawab untuk sejumlah perubahan itu; dan (2) rekonstruksi sejarah evolusigen dan organisme (molecular phylogeny), menjelaskan sejarah evolusi organisme dan makromolekul sepertiadanya keterlibatan data-data molekuler (Widodo, 2003).

Mengingat pentingnya kedudukan pendekatan molekuler dalam pengkajian masalah evolusi saat ini, makadalam tulisan ini akan dibahas sisi kecil dari dimensi evolusi biologi yang mengacu kepada pendekatanevolusi molekuler, khususnya area pembahasan evolusi makromolekul dengan tujuan memberikan gambarantentang evolusi molekuer, struktur kimiawi DNA (nukleotida) dan beberapa bentuk perubahan evolusi berbasisnukleotida.



PEMBAHASANPengertian dan Lingkup Evolusi Molekuler

Seperti diketahui bahwa pengkajian evolusi pada masa evolusi modern saat ini dilihat dari berbagai aspekdan pendekatan sesuai dengan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi itu sendiri. Pada masa sekarangini masalah evolusi dikaji dari pendekatan genetika populasi, evolusi ekologi, sistematik, evolusi molekulerdan paleontologi (Stearn & Hoekstra, 2003). Berbagai pendekatan dalam mengkaji masalah evolusi inidiprediksikan akan terus berkembang sesuai dengan dinamika perkembangan ilmu.

Dewasa ini pendekatan dari aspek evolusi molekuler banyak dilakukan untuk mengkaji evolusi biologi.Seperti dinyatakan Waluyo (2005) bahwa pada masa lalu, para ahli bekerja dengan data morfologi, anatomi,dan penurunan genetika, maka masa sekarang para ahli beranjak pada pendekatan molekuler, fisiologi, modelmatematika, dan lain sebagainya.

Evolusi molekuler (molecular evolution) pada dasarnya menjelaskan dinamika daripada perubahan evolusipada tingkat molekuler, disamping itu untuk mendukung pemahaman tentang proses evolusi dan efek-efekberbagai macam mekanisme molekuler, termasuk di dalamnya adalah evolusi genom, gen-gen, dan produk-produknya (Graur & Hsiung Li, 2000). Lebih lanjut dikatakan bahwa studi tentang evolusi molekuler berakarpada dua disiplin ilmu yang berbeda yaitu genetika populasi dan biologi molekuler . Genetika populasimelengkapi tentang dasar teori untuk proses-proses evolusi, sementara biologi molekuler melengkapi tentangdata empirik. Jadi untuk memahami evolusi molekuler tersebut sangat diperlukan pengetahuan dasar keduanyayaitu genetika populasi dan biologi molekuler praktis.

Selanjutnya lingkup pembahasan evolusi molekuler seperti yang disampaikan Graur & Hsiung Li (2000)sebagai berikut.

Molecular evolution encompasses two areas of study: the evolution of macromolecules, and thereconstruction of the evolutionary history of genes and organism. By the evolution ofmacromolecules we refer to the characterization of the changes in the genetic material (DNA or RNAsequences) and its products (proteins or RNA molecules) during evolutionary time, and to the ratesand patterns with which such changes occur. This area of study also attempts to unravel themechanisms responsible for such changes. The second area, also known as molecular phylogeneticsdeals with the evolutionary history of organism and macromolecules as inferred from molecular dataand methodology of tree reconstruction

Berdasarkan kutipan di atas kita dapat mengetahui bahwa pembahasan, lingkup, atau area evolusimolekuler meliputi dua area yaitu: (1) evolusi makromolekul, dan (2) rekonstruksi sejarah evolusi gen danorganisme. Area evolusi makromolekul menunjukkan karakteristik perubahan dalam materi genetik (urutanDNA atau RNA) dan produk-produknya (protein atau molekul RNA) serta terhadap rata-rata dan polaperubahan yang tampak. Sedangkan area kedua filogeni molekuler menjelaskan sejarah evolusi organisme danmakromolekul seperti adanya keterlibatan data-data molekuler dan metodologi pohon rekonstruksi.

Senada dengan pendapat di atas Stearn dan Hoekstra (2003) secara lebih sederhana menyatakan bahwaevolusi molekuler mengkaji dan memandang evolusi dari rekaman sejarah dalam urutan DNA dan protein.

Berdasarkan beberapa rujukan dan pendapat ahli di atas dapat disimpulkan pengertian dan lingkup darievolusi molekuler adalah suatu pendekatan pengkajian masalah evolusi yang berpijak pada populasi genetikadan biologi molekuler dengan area atau lingkup pengkajian pada perubahan materi genetik (urutan DNA atauRNA) dan produknya (protein atau molekul RNA) serta rata-rata dan pola perubahannya serta mengkaji pulasejarah evolusi organisme dan makromolekul yang didukung data-data molekuler (filogeni molekuler).

Struktur Kimia DNA (Nukleotida)Informasi hereditas organisme hidup, kecuali virus dibawa oleh DNA dan DNA biasanya terdiri dari untai

komplemen double helix. Masing-masing rantai adalah polinukleotida linear yang mana pada masing-masing nukleotida mengandung tiga komponen yang khas yaitu: (1) basa nitrogen, (2) gula pentosa, dan (3)asam posfat. Terdapat dua kelompok basa nitrogen yaitu basa purin terdiri dari adenin (A) dan guanin (G) sertakelompok basa pirimidin yang terdiri dari sitosin (C), dan timin (T). RNA juga mengandung basa purin berupaadenin (A) dan guanin (G) serta basa pirimidin berupa sitosin (C) dan urasil (U) (Graur & Hsiung Li, 2000;Lehninger, 1982; Stansfield, 1983).



Sementara itu ada dua jenis pentosa yaitu deoksiribosa pada DNA dan ribosa pada RNA. Basa adenin (A)selalu berpasangan dengan basa timin (T), basa guanin (G) selalu berpasangan dengan basa sitosin (C) padarantai DNA, sedangkan pada rantai RNA, adenin (A) berpasangan dengan urasil (U), sitosin (C) berpasangandengan guanin (G). Ikatan antara basa purin dengan basa pirimidin adalah ikatan hidrogen, dimana ikatan A-Ttermasuk ikatan lemah (weak bond), sementara ikatan G-C termasuk ikatan kuat (strong bond). Strukturtersebut dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1 Gambar2Complementary base pairing by means ofhydrogen bonds (dotted lines) between (a) thymineand adenine (weak bond), and (b) cytosine andguanine (strong bond).

Tipe-tipe mutasi (a) Original sequence, (b)Transitions from C to T, (c) Transversion from Gto C, (d) Recombination, the exchange of thesequence GTCTT by CAAAc, (e) Deletion of thesequence ACCTA, (f) Insertion of the sequenceAAAGC, (g) Inversions of 5GCAAAC3 to5GTTTGC3.

Perubahan Evolusi Berbasis Urutan NukleotidaPada bagian ini difokuskan pada pembicaraan mengenai mutasi karena peristiwa mutasi (secara molekuler)

sangat erat kaitannya dengan perubahan evolusi berbasis urutan nukleotida. Mutasi itu sendiri menurutLehninger (1982) dapat diartikan sebagai perubahan permanen yang akan bersifat menurun pada genom (gen-gen atau urutan nukleotida) suatu organisme. Lebih lanjut dikatakan bahwa mutasi dapat mempengaruhisebuah nukleotida (point mutations) atau beberapa nukleotida yang saling berdekatan (segmental mutations).Sedangkan Graur & Hsiung Li (2000) menyatakan mutasi adalah kesalahan-kesalahan yang terjadi pada saatreplikasi DNA.

Selanjutnya disampaikan oleh Graur & Hsiung Li ada beberapa tipe mutasi yaitu: (1) substitutionmutations, penggantian sebuah nukleotida dengan yang lainnya, (2) recombinations, pertukaran sebuahnukleotida dengan yang lainnya, (3) deletions, pergerakan satu atau lebih nukleotida pada DNA, (4) insertions,penambahan satu atau lebih nukleotida ke dalam urutan (sekuen) DNA, dan (5) inversions, perputaran 180derajat dari segmen untai ganda (double-strand) DNA yang berisi dua atau lebih pasangan basa. Tipe-tipemutasi tersebut tertera pada Gambar 2 di atas

Mutasi SubstitusiMutasi substitusi adalah salah satu tipe mutasi seperti yang telah disebutkan di atas. Jenis mutasi ini

penting dibahas lebih lanjut karena padasarnya proses evolusi dari urutan DNA (urutan nukleotida) adalahsubstitusi dari sebuah nukleotida dengan yang lainnya selama waktu evolusi (Graur & Hsiung Li, 2000;Puterbaugh & Burleugh, 2001). Dengan kata lain bahwa evolusi adalah substitusi (penggantian) nukleotidadalam urutan DNA.

Mutasi substitusi dibagi ke dalam transitions dan transversions. Transitions adalah pengubahan antara Adan G (purin) atau antara C dan T (pirimidin). Transversions adalah pengubahan antara purin denganpirimidin. Ada empat tipe transitions yaitu: A G, G A, C T, T C. Sementara ada delapan tipetransversions yaitu: A C, A T, C A, C G, T A, T C, G C, G T.

Mutasi substitusi terjadi pada daerah pengkodean protein yang dapat diklasifikasikan menurut efeknyaterhadap produk translasi (protein) yaitu: (1) synonymous, jika menyebabkan tidak terjadi perubahan asam



amino yang spesifik (Gambar 3a), (2) nonsynonimous, perubahan terjadi pada asam amino, sehinggaperubahan nukleotida nonsynonimous disebut replacement.

Perubahan nonsynonimous selanjutnya diklasifikasikan ke dalam missense mutations , adalah pengubahanyang mempengaruhi kodon di dalam kodon spesifik pada asam amino berbeda dari yang sebelumnya (Gambar3b) dan nonsense mutations, pengubahan arti atau penterjemahan kodon ke dalam kodon terminasi(penghabisan) dan sebagai awal berhentinya proses translasi (Gambar 3c ).

Gambar 3 Tipe-tipe mutasi substitusi pada daerah pengkodean, (a) synonymous, (b) missense mutations, (c)nonsense mutations.

Model Substitusi Nukleotida pada Urutan DNA1. Jukes and Cantaors One-Parameter Model

Skema substitusi menurut model Jukes and Cantors (1969) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4

Gambar 4One-parameter model of nucleotide substitution.The rate of substitution in each direction .

Gambar 5Two possible scenario according to the one-parameter model for having A at site at time t = 2,given that the site had A at time 0

Model seperti Gambar 4 memiliki asumsi yang sederhana yaitu bahwa proses substitusi yang terjadimemiliki kemampuan atau peluang yang sama (setara) diantara keempat tipe nukleotida. Contoh: misalnyaadenin (A) akan berubah ke T, C, atau G dengan kemungkinan yang sama. Begitu juga kemungkinan denganbasa yang lain akan dapat berubah seperti adenin (A).

Dalam model ini rata-rata penggantian (rate of substitution) masing-masing nukleotida adalah 3 persatuan waktu dan rata-rata substitusi dari masing-masing tiga kemungkinan ditunjukkan oleh (alpha). Karenamodel ini hanya mengembangkan satu parameter yaitu , maka disebut: one-parameter model. Pada model inikemungkinan A berubah dalam satuan waktu adalah : PA (1) = 1-3.

Selanjutnya dari one-parameter model ini terdapat dua kemungkinan skenario yang dimiliki A pada suatuletak atau tempat berdasarkan waktu t=2, seperti tertera pada Gambar 5 di atas

2. Kimuras Two-Parameter ModelMenurut model ini asumsi bahwa seluruh substitusi nukleotida terjadi dengan kemungkinan yang sama

seperti pada model Jukes and Cantors model adalah dalam banyak kasus tidak realistik. Contoh transitions(yaitu pengubahan antara A dan G atau antara C dan T) umumnya frekuensi lebih banyak dari transversions.



Kenyataan ini perlu diperhitungkan, untuk itu Kimura (1980) mengajukan Two-parameter Model. Pada skemaini rata-rata substutusi transitional masing-masing nukleotida adalah per satuan waktu sedangkan rata-ratamasing-masing substitusi transversional adalah per satuan waktu, seperti tertera pada gambar 2.6 di bawahini.

Berbeda dengan model one-parameter, maka pada model two-parameter ini ada empat kemungkinanskenario untuk letak A pada satuan waktu t = 2, dengan kemungkinan A berubah pada satuan waktu adalah:PAA (1) = 1--2 (Gambar 6).

Gambar 6.Two-parameter model of nucleotide substitution.The rate of transition () may be equal to the rateof transversion ().

Gambar 7.Four possible scenario, according to Kimuras(1980) two-parameter model, for having A at a siteat time t = 2, given that the site had A at time 0.

Pengubahan Satu Pasang Basa (Mutasi Butir)Mutasi yang disebabkan oleh penggantian satu basa dengan basa yang salah dinamakan mutan substitusi.

Mutasi tersebut akan mengakibatkan perubahan ada hanya satu kodon gen yang bersangkutan. Jadi hal inidapat atau tidak mengakibatkan penggantian asam amino oleh yang lain pada urutan polipeptida yang disandioleh gen ini (Lehninger, 1982).

Selanjutnya bagaimana pengaruh satu pasang basa dan hipotesisnya terhadap aktivitas-aktivitas biologikproduk protein yang dihasilkan ditampilkan pada Tabel 1 di bawah ini.

Mutasi Keterangan Triplet DNABelum Termutasi

TripletTermutasi

Substitusi satu basa tidak menyebabkan perubahan padaurutan asam amino. Mutasi ini disebut mutasi diam.

Cetakan DNAKodon RNAAsam amino

(3)-GGT-(5)(5)-CCA-(3)

-Pro-

-GGA--CCU--Pro-

Mutasi satu basa menyebabkan perubahan asam aminoyang mungkin tidak mengubah aktivitas biologikprotein, karena penggantian asam amino tidak terjadipada posisi kritis dan juga menyerupai asam aminonormalnya, mutasi ini juga termasuk mutasi diam.

(3)-TAA-(5)(5)-AUU-(3)

-Ile-

-GAA--CUU--Leu-

Mutasi satu basa yang mematikan. Disini residu serinyang bersifat esensial bagi aktivitas enzim digantikanoleh fenilalanin, sehingga produk enzimatisnya menjaditidak aktif.

(3)-AGA-(5)(5)-UCU-(3)

-Ser-

-AAA--UUU--Phe-

Mutasi kebobolan. Disini penggantian asam aminokebobolan. Disini penggantian asam aminomengakibatkan protein yang sebagian aktivitasnyamasih dapat dipertahankan.

(3)-CGT-(5)(5)-GCA-(3)

-Ala-

-CCT--GGA--Gly-

Penyisipan atau Penghapusan Nukleotida (Mutasi Pergeseran Kerangka)Apabila suatu mutasi disebabkan oleh penyisipan atau penghapusan satu pasang basa pada suatu gen,

peristiwa ini dapat mengakibatkan jenis kerusakan genetik yang lebih ekstensif. Konsekuensi mutasi ini adalahperusakan sifat kolinearitas di antara kodon-kodon pada urutan DNA dan urutan asam amino polipeptida yangdisandinya. Perusakan ini akan dimulai pada tempat masuknya (tersisipnya) atau hilangnya basa yang



bersangkutan, karena akan terjadi pergeseran dalam kerangka pembacaan DNA. Akibatnya produk polipeptidaakan memiliki urutan asam amino secara benar sampai pada titik mutasi, tetpai akan memiliki urutan asamamino yang kacau, yang sama sekali berbeda dari urutan asam amino setelah titik tersebut (gambar 2.8) Mutasipergeseran kerangka sering kali menimbulkan kodon terminasi internal yanng mengakibatkan rantaipolipeptida yang lebih pendek dan belum sempurna dibuat terpaksa dilepaskan. Sebagian besar mutasipergeseran kerangka satu basa mengakibatkan produk gen yang tidak aktif secara biologik (Guilfoile & Plum,2004; Lehninger, 1982).

Mutasi pergeseran kerangka dapat dirangsang oleh molekul basa berbentuk pipih dan berukuran relatifbesar yang menyerupai basa atau pasangan basa normal. Molekul ini cenderung melakukan penyisipan(interkalasi) diantara dua pasangan basa yang terletak berurutan, dan sebagai akibatnya menambahkankelebihan basa pada DNA. Bilamana untai yang telah berubah ini melakukan replikasi, kelebihan basa inidapat masuk ke dalam untai anak melalui pasangan basa yang salah dengan molekul penyisip ini.

Untuk dapat memahami terhadap mutasi pergeseran kerangka yang disebabkan oleh adanya penyisipan (insersi) dan penghapusan (delesi), dapat dilihat pada Gambar 8 di bawah ini.

Gambar 8: Mutasi pergeseran kerangka yang disebabkan oleh penyisipan (insersi) dan penghapusan (delesi)

PENUTUPSimpulan

Berdasarkan lingkup materi dan pembahasan, maka dapat diambil simpulan sebagai berikut.1. Evolusi molekuler adalah suatu pendekatan pengkajian evolusi yang berpijak pada genetika populasi dan

biologi molekuler dengan lingkup atau area pengkajian pada perubahan materi genetik (urutan DNA atauRNA) dan produknya (protein) serta sejarah evolusi organisme yang didukung oleh data-data molekuler.

2. Secara kimiawi struktur DNA (Nukleotida) terdiri dari basa nitrogen (purin dan pirimidin), gula pentosa(ribosa dan deoksiribosa) serta asam posfat.

3. Beberapa bentuk perubahan evolusi berbasis urutan nukleotida adalah: (1) mutasi substitusi, (2) pengubahansatu pasang basa nukleotida (mutasi butir), dan (3) penyisipan (insersi) atau penghapusan (delesi) nukleotidayang merupakan mutasi pergeseran kerangka.

4. Dua model substitusi nukleotida pada urutan DNA adalah: Jukes and Cantors one-parameter model danKimura;s two-parameter model.



Saran-saran

Berdasarkan simpulan di atas dapat disarankan sebagai berikut.1. Sangat perlu meningkatkan pemahaman dan pendalaman terhadap pendekatan evolusi molekuler berbasis

urutan nukleotida karena pendekatan ini sangat banyak digunakan untuk mengkaji masalah-masalah evolusidewasa ini.

2. Untuk lebih memahami perubahan evolusi berbasis urutan nukleotida, maka terlebih dahulu sangatdiperlukan pemahaman terhadap genetika populasi dan biologi molekuler serta mempelajari lebih mendalamtentang mutasi substitusi, mutasi butir, dan mutasi pergeseran kerangka.

DAFTAR PUSTAKA

Graur, D & Hsiung Li, W. 2000. Fundamental of Molecular Evolution .Second Edition. Massachusetts: SinaurAssociates, Inc, Publisher.

Guilfoile, P. & Plum, S . 2004. The Relationship Between Phenotype and Genotype. American BiologyTeacher, 6(4):288-291.

Harris, H. 1994. Dasar-dasar Genetika Biokemis Manusia. Gadjah Mada University Press. Yogyakarta

Lehninger (Terjemahan Maggy Tenawijaya). 1982. Dasar-dasar Biokimia Jilid 3. Penerbit Erlangga Jakarta.

Puterbaugh, M.N. & Burleugh, J.G. 2001. Investigating Evolutionary Question Using Online MolecularDatabases. American Biology Teacher, 63(6):422-431.

Stanfield, W. D. 1983. Theory and Problem of Genetic. Second Edition. New York: Schaum Outline SeriesMcGraw-Hill, Inc.

Stearn, S.C. & Hoekstra, R.F. 2003. Evolution an Introduction. New York: Oxford University Press.

Subandi & Amin, M. 2005. Bahan Ajar Biokimia. PPS UM. Malang

Waluyo, L. 2005. Evolusi Organik. UMM Press. Malang

Widodo, dkk. 2003. Evolusi (Program Semi Que-IV) Direktorat Pendidikan Tinggi. Proyek PeningkatanManajemen Pendidikan Tinggi Departemen Pendidikan Nasional.Jakarta

Kajian Evolusi Berbasis Urutan Nukleotida

Documents

Transcript of Kajian Evolusi Berbasis Urutan Nukleotida